雅礱江流域徑流極值變化規(guī)律及影響因素分析

李崢嶸，彭 濤，2，董曉華，2，林青霞

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072)

0 引 言

受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，眾多江河水文情勢(shì)發(fā)生了顯著的變化，干旱、洪澇等極端水文事件頻發(fā)。近年來(lái)，以極端水文事件發(fā)生規(guī)律與機(jī)理為重大科學(xué)問(wèn)題的全球變化研究已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。針對(duì)變化環(huán)境下導(dǎo)致的徑流極值變化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展許多相關(guān)研究工作。張強(qiáng)等[4]分析了鄱陽(yáng)湖流域6個(gè)水文站年最大流量、最大3 d和最大7 d平均流量的概率分布以及影響因素；何艷虎等[5]采Mann-Kendall法、R/S等方法對(duì)東江流域年徑流及極值流量變化特征及成因進(jìn)行了分析；羅賢等[6]利用怒江流域近50年來(lái)氣溫、降水和徑流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以來(lái)怒江流域枯水徑流有較為明顯的增長(zhǎng)；姚夢(mèng)婷等[7]采用GP、GEV等21種分布函數(shù)對(duì)淮河流域徑流極值序列進(jìn)行擬合；Leander等[8]利用校正的氣象模型探討了默茲河流域氣溫、降水對(duì)極端徑流的影響；Ruiz-Villanueva等[9]以德國(guó)西南地區(qū)極端水文事件為研究對(duì)象，探討了極端徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

雅礱江位居全國(guó)十三大水電基地第3位，水能資源極為豐富，因此對(duì)雅礱江流域進(jìn)行徑流極值演變規(guī)律分析具有重要意義。當(dāng)前已有一些學(xué)者研究雅礱江流域的徑流特性及其變化趨勢(shì)[10-12]，但對(duì)流域極值流量演變特征及成因分析的尚不多見(jiàn)。基于此，本文以雅礱江流域雅江和洼里逐日徑流資料為研究對(duì)象，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、有序聚類(lèi)法、突變點(diǎn)檢驗(yàn)(Pettitt)法以及小波分析法分析研究雅礱江流域極值流量的趨勢(shì)性、突變性和周期性特征，并探討雅礱江流域徑流極值變化的影響因素，為流域洪水災(zāi)害防治、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

表1 極值流量指標(biāo)特征統(tǒng)計(jì)值及M-K檢驗(yàn)值

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

雅礱江發(fā)源于青海省巴顏喀拉山南麓，干流全長(zhǎng)1 571 km，流域面積約13.6萬(wàn)km2。雅礱江流域季節(jié)干濕分明，11月至次年4月為干季，河川徑流多以地下水補(bǔ)給為主。5月至10月為雨季，氣候濕潤(rùn)，降雨集中，占全年的90%～95%。雅礱江流域主汛期為6月～9月，大洪水多發(fā)生于7月～8月。雅礱江中下游處于大暴雨區(qū)內(nèi)，為洪水主要來(lái)源地區(qū)，其洪水特性是峰高、量小、歷時(shí)短。地處雅礱江中游的雅江水文站集水面積6.57萬(wàn)km2，多年平均徑流量659 m3/s，下游的洼里水文站集水面積10.23萬(wàn)km2，多年平均徑流量1 170 m3/s。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

徑流資料為雅礱江流域雅江站1953年～2015年和洼里站1959年～2004年的逐日流量數(shù)據(jù)，源自長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局。本文所用的年最大(1、3 d和7 d)平均流量、年最小(1、3 d和7 d)平均流量基于逐日流量資料提取。由于雅江站1962年～1964年逐日流量數(shù)據(jù)缺測(cè)，年極值流量數(shù)據(jù)由洼里站同年數(shù)據(jù)插補(bǔ)得到。本文選用的雅礱江流域理塘、石渠、甘孜等15個(gè)氣象站的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) (http:∥www.cma.gov.cn/)。四期土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)。

2 研究方法

選用Mann-Kendall法對(duì)雅礱江流域年極值流量趨勢(shì)性進(jìn)行分析。Mann-Kendall法(簡(jiǎn)稱(chēng)“M-K法”)是目前常用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法[13]，可用于時(shí)間序列的趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z判斷序列變化趨勢(shì)。若Z>0，則為上升趨勢(shì)；反之，則為下降趨勢(shì)。若|Z|大于一定顯著性水平下的臨界值，則變化趨勢(shì)顯著；否則不顯著。

采用M-K法、有序聚類(lèi)法和Pettitt法對(duì)雅礱江流域極值流量突變特征進(jìn)行檢驗(yàn)，M-K法通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)序列UF和UB值，來(lái)判斷序列突變點(diǎn)，具體計(jì)算步驟見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]。有序聚類(lèi)分析法是一種推求時(shí)間序列發(fā)生可能性突變點(diǎn)的有效方法[15]， 實(shí)際上是推求最優(yōu)分割點(diǎn)， 使得同類(lèi)之間的離差平方和最小， 而類(lèi)與類(lèi)之間的離差平方和相對(duì)較大。Pettitt是由Pettitt 在1979年提出的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，結(jié)合Loess參考函數(shù)能夠較好的識(shí)別序列分布的突變點(diǎn)[16]。

在水文系統(tǒng)的多時(shí)間尺度變化特征的研究中，小波分析是一種有效的方法[17]。本文采用復(fù)Morlet小波連續(xù)小波變換，通過(guò)小波功率譜分析，表現(xiàn)不同尺度下序列信號(hào)的強(qiáng)弱，據(jù)此確定序列顯著周期的震蕩范圍。

3 結(jié)果分析

3.1 極值流量基本特性及趨勢(shì)分析

雅礱江流域雅江和洼里站徑流極值統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表1。由表1可知，雅江站和洼里站徑流極值指標(biāo)變差系數(shù)在0.15～0.28之間，年際變化相對(duì)不大。相比雅里站而言，洼里站的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)較雅江站要小，這說(shuō)明洼里站極值流量序列年際變化相對(duì)較小和分布對(duì)稱(chēng)程度更好。雅江和洼里站徑流極值M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。雅江和洼里站年最大(1、3、7 d)流量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值均為正值，且小于1.96，說(shuō)明雅江和洼里站年最大流量序列均未通過(guò)顯著水平α=0.05的信度檢驗(yàn)，表明兩個(gè)站年最大流量表現(xiàn)為不顯著增加趨勢(shì)。雅江和洼里站年最小(1、3、7 d)流量M-K檢驗(yàn)值均為負(fù)值，且未通過(guò)顯著水平α=0.05的信度檢驗(yàn)，表明兩個(gè)站年最小流量表現(xiàn)為不顯著減少趨勢(shì)。

圖1 雅江和洼里站M-K法突變檢驗(yàn)

圖2 雅江和洼里站有序聚類(lèi)法突變檢驗(yàn)

3.2 極值流量突變分析

采用M-K法、有序聚類(lèi)法和Pettitt法，綜合分析雅江和洼里站極值流量序列突變特征，結(jié)果如圖1、2和表2所示。

由圖1、2可知，雅江站最大日流量正反序列曲線在信度線內(nèi)存在3個(gè)交點(diǎn)(2009年、2011年和2013年)，而經(jīng)過(guò)有序聚類(lèi)法和Pettitt法檢驗(yàn)得到可能的共同突變點(diǎn)則為1998年；雅江站最小日流量正反序列曲線于1954年、1957年和1999年在信度線內(nèi)有3個(gè)交叉點(diǎn)，再通過(guò)有序聚類(lèi)法和Pettitt法得到可能的突變點(diǎn)分別為2013年和1997年，但均未通過(guò)95%的顯著性水平。洼里站最大和最小日流量正反序列曲線在信度線內(nèi)均存在多個(gè)交點(diǎn)，但有序聚類(lèi)法和Pettitt法檢驗(yàn)均未檢測(cè)到統(tǒng)計(jì)意義上的突變點(diǎn)。

表2 M-K法、有序聚類(lèi)法和Pettitt法突變檢測(cè)結(jié)果

圖3 雅江和洼里站極值流量小波功率譜

類(lèi)似地，對(duì)雅江和洼里站極大值(3、7 d)流量、極小值(3、7 d)流量進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，雅江站最大3 d流量由有序聚類(lèi)法和Pettitt法均檢驗(yàn)得到1998年為可能突變年，但未通過(guò)95%的顯著性水平，表明雅江站最大3 d流量突變不顯著，雅江站最大7 d流量亦然。由三種突變方法分析得到雅江站最小3 d、最小7 d流量存在多個(gè)可能突變點(diǎn)，但突變均不顯著。洼里站最大3 d流量由M-K法和有序聚類(lèi)法均檢驗(yàn)得到序列可能突變點(diǎn)為1998年，但突變不顯著。由三種突變方法分析得到洼里站最大7 d流量存在多個(gè)突變點(diǎn)，但均為不顯著突變。從洼里站最小3 d、最小7 d流量的M-K法和有序聚類(lèi)法檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，序列可能突變點(diǎn)均為2000年，但均未通過(guò)95%的顯著性水平，表明突變不顯著。

綜合上述3種突變檢驗(yàn)方法，雅礱江流域雅江站最大日流量在1998年發(fā)生統(tǒng)計(jì)意義上突變，這與1998年雅礱江流域發(fā)生特大洪水年份一致。

3.3 極值流量周期分析

采用Morlet小波分析法對(duì)雅礱江流域雅江、洼里站年最大、年最小流量系列進(jìn)行周期性分析。由雅江站最大日流量小波功率譜圖可知，雅江站最大日流量在1953年～2015年期間存在4個(gè)震蕩周期，分別為1～2、6、10 a和16 a的周期。其中，1～2 a和6 a的震蕩周期通過(guò)了置信水平為95%的紅噪聲檢驗(yàn)，說(shuō)明這個(gè)周期在全時(shí)域內(nèi)顯著，為主周期；而10、16 a的震蕩周期沒(méi)有通過(guò)置信水平為95%的紅噪聲檢驗(yàn)(圖3a)；由雅江站最小日流量小波功率譜圖來(lái)看，在1955年～1980年、1983～2012年小波功率譜震蕩比較強(qiáng)烈，存在1～2 a和6 a的震蕩周期，且通過(guò)了置信水平為95%的紅噪聲檢驗(yàn)，具有顯著的周期特征(圖3b)。洼里站最大日流量小波功率譜圖顯示，在1955年～2012年小波功率譜震蕩強(qiáng)烈。其中，1～2 a和6 a的震蕩周期通過(guò)了95%的紅噪聲檢驗(yàn)，周期顯著(圖3c)；而洼里站最小日流量在1～2 a震蕩周期通過(guò)了置信水平95%的紅噪聲檢驗(yàn)，其余周期均未通過(guò)95%的紅噪聲檢驗(yàn)(圖3d)。類(lèi)似地，對(duì)雅江和洼里站最大3、7 d和最小3、7 d流量序列進(jìn)行周期分析，變化周期分別與相應(yīng)的最大1 d和最小1 d流量序列結(jié)果相同。

綜上所述，雅江和洼里站極值流量序列在時(shí)域中都存在著顯著的短震蕩周期。雅江站最大(1、3、7 d)流量、最小(1、3、7 d)流量有1～2年和6年的震蕩周期；洼里站最大(1、3、7 d)流量存在1～2 a和6 a的震蕩周期；洼里站最小(1、3、7 d)流量有1～2 a的震蕩周期。

3.4 影響因素分析

3.4.1氣候變化

為了研究雅江和洼里站降水與徑流的關(guān)系，本文搜集了研究區(qū)域以及鄰近地區(qū)15個(gè)氣象站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。首先采用泰森多邊形法計(jì)算雅江和洼里站控制流域以上面平均降水量，然后提取與年最大日流量序列對(duì)應(yīng)的降水極值序列[18]。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算雅江和洼里站自1970年以來(lái)降水序列Cv、Cs值20 a的滑動(dòng)值變化情況，得到1989年以來(lái)降水極值和徑流極值的Cv、Cs滑動(dòng)值序列(見(jiàn)圖4)。

圖4 年最大日流量和降水序列參數(shù)20 a滑動(dòng)Cs/Cv變化過(guò)程

由圖4可知，雅江和洼里站年最大降水序列和洪峰序列的20 a滑動(dòng)Cs/Cv值在1992年后變化趨勢(shì)基本一致。這說(shuō)明雅礱江流域徑流極值突變主要是氣候變化因素造成的。

3.4.2土地利用變化

為反映人類(lèi)活動(dòng)造成的土地利用變化對(duì)徑流極值的影響，統(tǒng)計(jì)分析雅礱江流域1980年、1990年、2000年和2010年4個(gè)時(shí)期土地利用變化情況(見(jiàn)表3)。

表3 雅礱江流域不同時(shí)期土地利用占比統(tǒng)計(jì) %

從表3可以看出，雅礱江流域土地利用類(lèi)型以草地為主，其次是林地，這兩類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積占流域總面積的85%以上，水域和城鄉(xiāng)居民用地占比不足2%。從1980年到1990年，水域面積從1.7%下降到0.4%，變化幅度為1.3%，2000年之后水域面積略有增加。總之，除了1980年～1990年水域面積明顯減少以外，研究區(qū)域不同時(shí)期的土地利用變化均比較小，土地利用變化不是流域徑流極值突變的主要原因。

3.4.3水利工程的影響

目前雅礱江流域已建成的大型水庫(kù)有二灘和錦屏一級(jí)，分別于1998年和2012年下閘蓄水，總庫(kù)容分別為58億m3和77.6億m3，兩座大型水庫(kù)均位于雅礱江下游。本文選用的雅江站位于雅礱江干流中游，故該站的水文情勢(shì)不受二灘和錦屏一級(jí)水庫(kù)調(diào)蓄的影響；此外，洼里站位于錦屏一級(jí)與二灘水庫(kù)之間，2012年運(yùn)行的錦屏一級(jí)水庫(kù)對(duì)洼里站1959年～2004年的徑流極值也無(wú)影響。由此來(lái)看，大型水利工程的運(yùn)行對(duì)雅江和洼里站站徑流極值影響不大。

4 結(jié) 論

利用雅江和洼里站的逐日徑流序列資料，分析了徑流極值的趨勢(shì)、突變和周期性特征，并探討了極值徑流發(fā)生突變的影響因素，得出如下主要結(jié)論：

(1)雅江和洼里站年極大值流量(1、3、7 d)呈一定的增加趨勢(shì)；年極小值流量(1、3、7 d)呈一定的減小趨勢(shì)，但變化均不顯著。雅江站年最大1 d流量在1998年發(fā)生突變。

(2)雅江和洼里站年極大值流量(1、3、7 d)周期變化一致，為1～2 a和6 a。雅江站年極小值流量(1、3、7 d)周期特征為1～2 a和6 a，洼里站年極小值流量(1、3、7 d)周期特征為1～2 a。

(3)降水變化是導(dǎo)致雅江站極值流量發(fā)生突變的主要原因。20世紀(jì)90年代后期，水域顯著減少也可能是造成突變的影響因素之一，而水利工程建設(shè)對(duì)雅江和洼里站徑流極值影響不大。隨著未來(lái)兩河口水庫(kù)的蓄水運(yùn)行，它將通過(guò)巨大的攔洪削峰作用對(duì)大壩下游河道的洪水產(chǎn)生顯著影響。